金属氧化物高活性面控制合成理论预测及性质研究

摘要

金属氧化物的性质与它暴露的表面有非常大的关系。特定面（特别是高活性面）暴露的金属氧化物半导体材料的合成对于提高金属氧化物的光催化活性具有非常重要的意义。
　　 通常锐钛矿TiO2暴露的主要为低活性的(101)面，而高活性的(001)面只占很少的比率（根据Woff规则，少于6％）。这严重限制了锐钛矿TiO2在实际中的应用。但是，在2008年，利用非金属元素吸附的方法高活性(001)面暴露的锐钛矿TiO2的合成取得突破性进展，其许多不同寻常的性质和应用被发现，这也充分显示了此类光催化材料在工业和生活中的重要性。
　　 但是除了广泛研究的(001)面暴露的锐钛矿TiO2，关于其它金属氧化物的面控制合成的研究还相对较少，其中一个非常重要的原因就是合适的形貌控制剂的寻找具有非常大的盲目性。
　　 因此，针对上述问题，论文第三、四章用密度泛函理论分别研究了7种非金属(H、N、O、F、Cl、Br和(I))吸附对六方相WO3和金红石相TiO2表面稳定性的影响。计算显示，Br是制备高活性(110)面暴露的六方相WO3的最合适的元素，而F元素是制备高活性(001)面暴露的金红石相TiO2最合适的元素。这些结果可以用于指导实验中金属氧化物的控制合成。
　　 第五章和第六章详细研究了2-丙醇和乙醇在锐钛矿TiO2(101)和(001)面的吸附情况，结果发现高活性(001)面能够使醇发生解离吸附，而醇在(101)面却是分子吸附的。这些结果可以为高活性催化剂的制备和醇的更有效转化提供理论指导。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化机理

1．3 半导体的表面控制合成

1．3．1 高活性面暴露的TiO2的控制合成

1．3．2 特定面暴露的其它半导体金属氧化物的合成

1．3．3 高活性(001)面暴露的锐钛矿TiO2的独特性质及应用前景

1．4 本文研究的意义和主要内容

第二章 本研究所用的理论基础及软件介绍

2．1 量子理论

2．1．1 非相对论近似

2．1．2 Bohn-Oppenheimer近似(绝热近似)

2．1．1 Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论(DFT)

2．2．1 Hohenberg-Kohn定理

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 交换相关近似

2．3 赝势

2．3．1 平面波法

2．3．2 赝势

2．4 计算软件介绍

2．4．1 CASTEP(Cambridge Serial Total Energy Package)简介

2．4．2 DMol3简介

第三章 密度泛函理论研究非金属元素吸附对六方相WO3表面稳定性的影响

3．1 前言

3．2 模型与计算方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 密度泛函理论究非金属元素吸附对金红石相TiO2表面稳定性的影响

4．1 前言

4．2 模型与计算方法

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 2-丙醇在锐钛矿TiO2(101)和(001)面吸附的密度泛函理论研究

5．1 前言

5．2 模型和计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 2-丙醇在(101)表面的吸附

5．3．2 2-丙醇在(001)面的吸附

5．3．3 电子结构分析

5．3．4 覆盖度的影响

5．4 本章小结

第六章 乙醇在锐钛矿TiO2(101)和(001)面吸附的密度泛函理论研究

6．1 前言

6．2 模型与计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 乙醇在锐钛矿TiO2(101)面的吸附

6．3．2 乙醇在(001)面的吸附

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

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